CPUの分岐ハザードを徹底解説！初心者でも理解できるパイプライン処理の落とし穴
生徒
「CPUの分岐ハザードという言葉を見たんですが、どういう意味なのかいまいちイメージがわきません。パイプライン処理と関係があるんですか？」
先生
「もちろん関係がありますよ。CPU（シーピーユー）は命令を高速に実行するためにパイプライン処理をしていますが、その処理が止まってしまう原因のひとつが分岐ハザードという現象なんです。」
生徒
「分岐という言葉が気になります。プログラムの流れが分かれることが関係しているんでしょうか？」
先生
「そのとおりです。分岐命令が現れると、CPUが次に実行する命令を判断しにくくなり、パイプライン処理の流れが乱れてしまいます。これが分岐ハザードと呼ばれる問題です。しくみをくわしく見ていきましょう。」
1. 分岐ハザードとは？読み方と基本の意味
分岐ハザードの読み方はブンキハザードといいます。これはCPU（シーピーユー）のパイプライン処理において、分岐命令が原因で処理の流れが止まったり遅くなったりする現象のことです。分岐命令とは、プログラムの実行順序が条件によって変わる命令で、たとえば「条件が真なら次の行へ進み、偽なら別の場所へ移動する」といった動作を行います。
CPUは高速化のため、次に必要な命令を先回りして読み込むという特徴があります。しかし、分岐命令があると、どちらの流れに進むべきかがすぐには判断できないため、誤った命令を読み込んでしまうおそれがあります。その結果、読み込んだ命令を捨てて処理をやり直す必要が生じ、パイプラインが停滞します。これが分岐ハザードの本質です。
2. なぜ分岐命令でパイプライン処理が乱れるのか？
パイプライン処理は、複数の命令を同時に進行させることでCPUの性能を高める仕組みです。そのため、どの命令を次に実行するかが重要になります。ところが、分岐命令が登場すると「命令の流れ」が確定しないため、CPU内部の流れが不安定になります。
分岐が発生すると、CPUは分岐の結果を判断するまで次の命令を確実に選べません。そのため、途中まで読み込んでいる命令が無駄になり、パイプライン処理の効率が落ちてしまいます。高速処理を実現するはずのパイプライン処理が、分岐命令によって逆に遅くなってしまうのです。
3. 分岐ハザードの具体例をイメージしてみよう
分岐ハザードはむずかしそうに感じますが、日常の例に置きかえると理解しやすくなります。たとえば、道路を運転していて、途中に「右に行くか左に行くかが直前までわからない交差点」があるとします。どちらに進むかが不明なままではスムーズに進めませんよね。
CPUの内部でも同じように、分岐命令の結果がわからないと次に読み込む命令が決まらず、パイプラインの流れが一時的に止まることになります。これはパソコンの処理速度にも影響し、アプリの動作やゲームの反応などにも影響することがあります。
4. 分岐予測という考え方でハザードを回避する
分岐ハザードはCPUの高速化を妨げるため、現代のCPUには分岐予測（読み方はブンキヨソク）という仕組みが取り入れられています。これはCPUが分岐命令の結果をあらかじめ予測し、正しいと思われる命令の流れを先に実行する方法です。
分岐予測が当たれば、パイプラインは止まることなくスムーズに処理を進められます。もし外れた場合でも、CPUは素早く命令を修正して処理を続けます。この予測技術は年々進化しており、さまざまなアルゴリズムが活用されています。パソコンの高速化にとってとても重要な仕組みのひとつです。
5. 分岐ハザードが生まれた背景とCPUの進化
CPUが初期のころはそこまで複雑な命令処理を行わなかったため、分岐ハザードの問題は大きくありませんでした。しかし処理速度を向上させるためにパイプライン処理が導入されると、分岐命令によって流れが止まるという問題が目立つようになりました。
現代のCPUはマルチコア化や高速化が進み、分岐予測や投機実行と呼ばれる技術を組み合わせて効率を高めています。分岐ハザードは昔から存在する問題ですが、その解決策が進化していることで、私たちは快適にパソコンやスマートフォンを使えるようになっています。分岐ハザードという用語はむずかしく見えますが、その背景にはCPUの性能向上の長い歴史があります。
